Röntgenlaser avslöjar ny insikt i varm tät materia

En ny studie som beskriver användningen av röntgenlaser för att studera varm tät materia (WDM) har många i sektorn entusiastiska. Forskarna använde den europeiska XFEL för att genomföra en serie experiment kring det gåtfulla materietillståndet. Här är vad de upptäckte.

Varm tät materia (WDM) tillstånd

Termen “Warm Dense Matter” beskriver en särskild form av materia som inte direkt passar in i nuvarande fysikkategorier. Varm tät materia ses av många som en avgörande byggsten i universum och att förstå den skulle möjliggöra djupare insikt i existensens historia. Noterbart är att existensen av detta materietillstånd först erkändes för två decennier sedan.

Varm tät materia är rikligt förekommande i universum. Detta unika tillstånd kan hittas på gasjättar som Jupiter och även i centrum av bruna dvärgstjärnor. Det unika med WDM är att det är ett tillstånd mellan plasma och ett kondenserat stadium. Därför är det extremt svårt att återskapa och spelar en viktig roll inom astrofysik, planetvetenskap och kärnklyvning.

Den ursprungliga förståelsen av WDM var bred. Den grupperade flera fenomen med temperaturer från några tusen grader till hög densitet. Under de senaste fem åren har definitionen utökats för att inkludera himlakroppar med en densitet mellan 0,01 och 100 g/cm³ och en temperatur som överstiger flera tusen kelvin (1‑100 eV).

Aktuella metoder för övervakning och skapande av WDM

Optisk utrustning har tidigare använts för att observera det varma täta materietillståndet. Denna metod var dock begränsad av utrustningens kapacitet. Specifikt kunde enheten inte registrera och exakt övervaka energinivåerna vid topp.

En annan metod som för närvarande används är röntgenemissionsspektroskopi. Denna metod uppfanns för 12 år sedan som ett elektronfritt alternativ. I denna studie använder forskarna röntgenfri-elektronlaser (XFEL) för att generera högintensiva röntgenpulser som varar en enda femtosekund. Noterbart skickar en femtosekundlaser pulser som sträcker sig över miljontals av en miljarddel av en sekund.

Introduktionen av pålitliga XFEL-laser möjliggjorde för forskarna att fördjupa sina studier av WDM-tillståndet. Specifikt undersökte de den övergående förändringen och de optiska egenskaperna hos materia som utsattes för laser‑röntgenbestrålning. Dessa studier har öppnat dörren för nya typer av röntgenfri-elektronlaser. För denna studie utnyttjade forskarna förmågan att mäta förändringar på atomära längdskalor för att noggrant dokumentera omvandlingen av fast materia till WDM-tillstånd med den europeiska XFEL i Hamburg.

Europeisk XFEL-laser

Den europeiska XFEL-laser är en av endast ett dussin XFEL-anläggningar i drift globalt. Denna avancerade enhet byggdes i samarbete med forskningscentret DESY. Den har ett 2,1 mils långt testområde som möjliggör för forskare att övervaka den elektroniska och joniska strukturen hos materia när den omvandlas.

Studie av varm tät materia

Hittills har det inte gjorts många studier om hur dessa nya systemens bestrålning kan förändra materietillstånd på ett registrerbart och spårbart sätt. Därför försökte forskarna detaljera hur användningen av ultrarapida röntgenfri-elektronlaserpulser kan omvandla koppar till varm tät materia. Specifikt beskriver teamet användningen av L-kant röntgenabsorptionsspektroskopi över ett stort intensitetsintervall för att omvandla tillstånd.

Varm tät materia‑test

Laserpulserna konfigurerades för att pulsera och bestråla upplysta kopparprover i 15 femtosekunder. Forskarna upprepade processen vid olika intensiteter för att se effekten och hur varje justering påverkade omvandlingshastigheten. De observerade att röntgenlaserpulsen skapade stark jonisering.
Denna jonisering ledde till att elektroner expanderade materian när temperaturerna steg. Inom sekunder hade materian omvandlats till joniserad WDM. Därefter blev den transparent för röntgenstrålar. Denna övergång från mättbar absorption (SA) till omvänd mättbar absorption (RSA) väckte forskarnas intresse.

Kombinering av experimentdata med simuleringar

Testprocessen utfördes med spektroskopi- och koherent spridningsinstrumentet (SCS) vid den europeiska XFEL (EuXFEL). Denna plats erbjöd den perfekta miljön för forskare att genomföra experiment och noggrant registrera resultaten. De undersökte exakt hur mycket strålning som passerade genom materian samt dess joniseringsförändringar.

Noterbart krävde experimenten att XFEL-pulsen fokuserades genom Kirkpatrick–Báez-speglar. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för teamet att ställa in strålningsstorleken till 4 μm fullbredd vid halvmaksimum (FWHM). En pulsenergi på 2 mJ mättes med två röntgengasmätare. Dessa enheter placerades 2,3 m nedströms från interaktionspunkten.
Enheten ledde laserstrålen genom en ingångsslits på 40 μm och ett gitter med 1 200 linjer per mm. En miniatyr-CCD-kamera infördes också för att ytterligare övervaka den röntgenexciterade kopparen. Därefter tillämpade teamet kinetiska Boltzmann-ekvationer med ändringar för ändlig temperatur av DFT:s ändligtemperatur realrumsdensitetsfunktionalteori för att erhålla sina slutdata. En 15 fs lång XFEL-puls användes sedan över testkopparens kanter, där mätningarna visade att intensiteten kunde fördubblas.

BOLTZMANN SOLVER‑programvara

Boltzmanns kinetiska ekvationslösare är ett skräddarsytt simuleringsprogram som möjliggör modellering av röntgenpulser på massmaterial. Programmet skapades av Prof. Ziaja-Motyka år 2004 och har varit avgörande för WDM-forskning hittills. Simuleringarna gjorde det möjligt för ingenjörer att simulera förändringar i WDM:s energinivå vid olika laserintensiteter. Denna programvara gav värdefull insikt och sparade tid, pengar och resurser.

XANES

Röntgenabsorptionsnära kantstruktur‑spektroskopi (XANES) integrerades också i testprocessen. Denna enhet övervakade valenselektronens tillstånd och den atomära strukturen under experimentet. Den var idealisk för uppgiften på grund av sin fulla spektrala bandbredd, vilket gjorde det möjligt för teamet att bättre förstå materialets övergångsstadier.

Resultat

Testresultaten avslöjade några nyckeldetaljer om processen. För det första har röntgenintensitet en direkt korrelation till jonisering. Denna process orsakar drastiska förändringar i energinivåerna på grund av kollisioner mellan atomer i exciterat tillstånd. Hastigheten och intensiteten av dessa kollisioner var relativa till den mängd energi som laserpulsen levererade.
Intressant nog märkte teamet att under en pulshöjd på 10^15 W cm⁻² kan ett absorptionsmaximum uppnås. De ökade gradvis laserintensiteten tills testutrustningen visade att materian blev ogenomskinlig. När intensiteten ökades ytterligare blev materian transparent för laserpulsen. Därmed visar studien att vid en viss hög energinivå kan röntgenstrålar inte absorberas av WDM.

Fördelar

Det finns flera fördelar som denna forskning ger till marknaden. Det nya systemet ger en djupare förståelse för WDM, hur det bildas och dess möjligheter under vissa energinivåer. De data som forskarna tillhandahåller hjälper astrofysiker och kärningenjörer att bättre förstå hur detta materietillstånd kan gynna världen.
Att förstå termodynamiken i WDM öppnar dörren till nya möjligheter. Denna teknik möjliggör starkare material och testprocedurer. Dessa steg kommer att göra det möjligt för människor att skapa kraftfullare och mer hållbara rymdfarkoster som kan generera energi med nya fusionsmetoder.

Forskare

Forskningen arrangerades av Institutet för kärnphysik vid Polens vetenskapsakademi (IFJ PAN) i Kraków. Nina Rohringer var huvudforskare. Dessutom deltog Prof. Beata Ziaja-Motyka och Dr. Laurent Mercadier från den europeiska XFEL i studien, som delvis finansierades av Institutet för kärnphysik vid Polens vetenskapsakademi.

Företag som kan dra nytta av denna studie

Flera företag är positionerade för att kapitalisera på denna forskning, från flygbolag till de som arbetar med nya fusionsmetoder, nya möjligheter finns tillgängliga. Denna studie kan hjälpa till att förbättra nuvarande erbjudanden och förbättra produkter i framtiden. Därmed har dessa företag viktiga positioner på sin marknad och ses som positiva innehav för handlare.

1. Exelon Corporation

EXC Prisdiagram

Exelon Corporation (EXC ) gick in på marknaden 2020 efter sammanslagningen av två högprofilerade energiföretag, PECO och Unicom. Företaget är en av de största energileverantörerna i Nordamerika och har huvudkontor i Chicago, IL. Det är ett Fortune‑500‑företag och erkänns som en av de största och mest framgångsrika leverantörerna på marknaden. Det har också ett starkt fokus på samhället, med över 20 000 anställda dedikerade till personalutveckling och samhällsengagemang.
Exelon är en smart aktie att lägga till i din portfölj. Företaget har sex reglerade verk och kontrollerar över 101  miljarder dollar i tillgångar. Dessutom har det 21 aktiva kärnreaktorer spridda över 12 kraftverk i USA. Alla dessa faktorer placerar Exelon som en marknadspionjär och ett klokt tillskott till din portfölj.

2. Lockheed Martin

LMT Prisdiagram

Lockheed Martin (LMT ) gick officiellt in på marknaden efter sammanslagningen av Lockheed och Martin Marietta på 1950‑talet. Företaget är en pionjär inom aerodynamik, militär, driv, roterande och rymdsektorerna. Därför är det unikt positionerat för att omedelbart utnyttja forskarnas insatser.
Lockheed ansvarar för några av de mest ikoniska flygplanen som nått himlen. De har också en stor andel i den amerikanska försvarsindustrin där de är kända för sin högteknologiska aeronautik. En bättre förståelse av WDM kan förbättra deras erbjudande på många sätt. För det första kan det öppna dörren för nya framdrivningssystem. Dessutom skulle det möjliggöra för ingenjörer att modellera mer effektiva flygplan med nya processer och modeller.
Noterbart är att Lockheed Martin är en massiv del av det amerikanska industrikomplexet. Företaget sysselsätter för närvarande över 122 000 personer globalt och har över 350 anläggningar. Dessa faktorer, tillsammans med en växande efterfrågan på deras produkter efter kvalitetskontrollproblem från Boeing, har gjort Lockheed Martin till ett klokt tillskott till din portfölj.

Framtiden för WDM-forskning och tillämpningar

Du kan förvänta dig att data som samlats in i denna studie kommer att användas omedelbart inom flera industrier. De skapade modellerna kommer att hjälpa forskare att vidareutveckla områdena för röntgenpulshantering, vilket drastiskt förbättrar övervakningsmöjligheterna och ger en inblick i det som tidigare var osynligt för forskare.

Metalliska värmesköldar för rymdfarkoster

En plats där WDM är vanligt är när en rymdfarkost återinträder i jordens atmosfär. När ett farkost återgår till jordens atmosfär når temperatur och strålning en nivå som skapar WDM. Forskningen i studien kommer att hjälpa ingenjörer att skapa mer effektiva och starkare värmesköldar för rymdfarkoster som säkert kan sprida WMD‑energin.

Kontrollerad kärnfusion (ICF – inertialt inneslutningsfusion)

Forskare har länge drömt om billig kärnfusion. Denna forskning tar världen ett steg närmare att förstå och uppnå detta mål. Teamet har presenterat betydande bevis och nya metoder som möjliggör för framtida forskare att exakt övervaka atomära förändringar för att skapa mer effektiva fusionsmodeller. Därmed kan denna forskning en dag leda till ren energi för alla.

Mer forskning behövs

Studien har väckt intresse för att utnyttja WDM:s möjligheter. För närvarande kan ämnet hittas i små stjärnor, planeter, dvärgar, partikelstråleinteraktioner, avlägsnande av metaller och intensiv laserinteraktion. Denna nya metod kan avslöja ännu fler platser där detta universumsbyggande ämne finns. Därför förbereder forskarna fler tester under de kommande veckorna medan deras resultat genomgår granskning av kollegor.

Varm tät materia (WDM) – fortfarande mycket att lära

Det är galet att tänka på att forskare först nu blir medvetna om hur WDM fungerar. Detta vanliga materietillstånd är kärnan i existensen och ju fler som förstår det, desto tydligare blir det att det kan låsa upp energikällor som är flera storleksordningar bortom vad som för närvarande används. Därför förtjänar dessa forskare en hyllning för att de hjälper till att belysa ett av universums äldsta mysterier.

Lär dig om andra häftiga rymd projekt nu.